CN102386623A - 一种减小风电场网损的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种减小风电场网损的方法，包括：获取所述风电场中各个风力发电机组的运行状态、有功功率值以及所述风电场运行所需的总无功功率；依据获取的功率值建立所述风电场网损的目标函数；对所述目标函数进行求最小值处理，获得所述目标函数存在最小值时各个风力发电机组的无功功率值；将所述获得的无功功率值分别分配给与其对应的风力发电机组。本申请实施例提供的减小风电场网损的方法，由于各个风力发电机组发出的无功功率是在风电场网损最小时确定的，所以各个风力发电机组依据被分配的无功功率值发出的无功功率在风电场中流动时所产生的无功功率损耗是最小的，从而相应的减小了风电场的网损。

Description

一种减小风电场网损的方法

技术领域

本发明涉及风电场能量管理领域，特别是涉及一种减小风电场网损的方法。

背景技术

风力资源是取之不尽用之不竭的，利用风力发电可以减少环境污染，节省煤炭、石油等常规能源。目前，我国风力发电尚处于起步阶段，特别是风电机组群或者风电场的控制系统还处在发展的初期；风电场的控制主要是以风电场公共连接点的电压或者风场的有功功率、无功功率(功率因数)为控制目标。

风电场中有功功率的产生以及无功功率的流动均会造成能量的损耗。有功功率的损耗是因为风电场能量收集系统中电阻产能导致的，一般认为风电场中有功功率流动产生的损耗是一定的。而对于无功功率在风电场中流动产生的损耗则是可变的；目前，国内已经并网的风力发电机大多数设定在恒定功率因数的状态下运行，风电机组发出的无功功率流过风电场能量收集系统会产生有功功率的损耗，这样的无功功率分配方式必然不能使得风场内总的因无功功率流动而产生的有功功率损耗达到最小值。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种减小风电场网损的方法，能够为风电场中各个发电机组分配不同的无功功率值，从而使各个发电机组的无功功率在风电场中流动的过程中产生的网损总值达到最小。

技术方案如下：

一种减小风电场网损的方法，包括：

获取所述风电场中各个风力发电机组的运行状态、有功功率值以及所述风电场运行所需的总无功功率；

依据所述各个风力发电机组的运行状态、有功功率值以及所述风电场所需总无功功率建立所述风电场网损的目标函数；

对所述目标函数进行求最小值处理，获得所述目标函数存在最小值时各个风力发电机组的无功功率值；

将所述获得的无功功率值分别分配给与其对应的风力发电机组。

上述的方法，优选的，建立所述风电场网损的目标函数后，对所述目标函数进行求最小值处理前，还包括：

确定对所述目标函数进行求最小值处理的无功功率约束条件。

上述的方法，优选的，所述无功功率约束条件包括：无功功率等约束条件和无功功率不等约束条件；

所述无功功率等约束条件为：

所述风电场中各个风力发电机组的无功功率的总和等于所述风电场中无功功率的目标值与所述风电场中无功功率损耗值的和；

所述无功功率不等约束条件为：

所述风电场网损目标函数中的无功功率不小于所述各个风力发电机组中无功功率的最小值且不大于各个风力发电机组中无功功率的最大值；

所述风电场网损目标函数中的电压值不小于所述各个风力发电机组中电压的最小值且不大于各个风力发电机组中电压的最大值。

上述的方法，优选的，将所述获得的无功功率值分别分配给与其对应的风力发电机组包括：

分别发送携带有无功功率值的无功功率命令至所述各个风力发电机组；

控制所述各个风力发电机组依据所述无功功率命令发出与所述无功功率命令中无功功率值相对应的无功功率。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本申请实施例提供的减小风电场网损的方法，获取风电场中各个风力发电机组的运行状态、有功功率值以及风电场运行过程中所需的总无功功率值，并且在各个风力发电机组运行状态良好的情况下，依据获取的各项功率值建立风电场网损的目标函数，所述目标函数中包含有功功率的损耗及无功功率流动产生的损耗，由于有功功率流动产生的损耗被认为是确定值，所以风电场网损的目标函数只与各个风电发电机组的无功功率有关；对目标函数进行求最小值处理，获得目标函数存在最小值时，各个风力发电机组的无功功率值，并将所述获得的无功功率值分别分配给与其对应的风力发电机组。

本申请实施例提供的减小风电场网损的方法，通过建立风电场网损的目标函数，并对所述目标函数进行求最小值处理，获得在所述目标函数存在最小值时各个风力发电机组的无功功率值，将所述获得的无功功率值分别分配给与其对应的风力发电机组；各个风力发电机组依据被分配的无功功率值发出无功功率；由于各个风力发电机组发出的无功功率是在风电场网损最小时确定的，所以各个风力发电机组依据被分配的无功功率值发出的无功功率在风电场中流动时所产生的无功功率损耗是最小的，从而相应的减小了风电场的网损。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种减小风电场网损实施例一的方法流程图；

图2为本申请实施例提供的另一种减小风电场网损实施例一的方法流程图；

图3为本申请实施例提供的另一种减小风电场网损实施例一的方法流程图；

图4为本申请实施例提供的应用减小风电场网损方法过程中实施例二的示例图；

图5为本申请实施例提供的应用减小风电场网损方法过程中实施例二的另一示例图；

图6为本申请实施例提供的应用减小风电场网损方法过程中实施例二的另一示例图；

图7为本申请实施例提供的应用减小风电场网损方法过程中实施例二的另一示例图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案。下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一

本申请实施例提供的减小风电场网损的流程图如图1所示，包括：

步骤S101：获取所述风电场中各个风力发电机组的运行状态、有功功率值以及所述风电场运行所需的总无功功率；

在风电场运行过程中，风电场中的各个风力发电机组会实时将其自身的运行状态、有功功率值等反馈至风电场的控制中心；对于整个风电场运行过程中，风电场整体需要的无功功率值是确定的；

步骤S102：依据所述各个风力发电机组的运行状态、有功功率值以及所述风电场所需无功功率建立所述风电场网损的目标函数；

对于风电场中，风电场能量收集系统的总网损，包括负载损耗和空载损耗；

风电场能量收集系统包括连接风电机组和阻抗的箱变、连接能量收集系统到电网的主变压器、以及风场中的所有线路阻抗；变压器的损耗分为铁耗和铜耗；当变压器运行中所加的额定电压不变时，空载到满载铁耗基本不变，所以称之为不变损耗；变压器的空载损耗只与电压和额定空载损耗有关，表示如下：

$P_0\left(V\right)={\left(\frac{V}{V_N}\right)}^2\·P_{N0}$

其中，P_N0表示变压器额定空载损耗；

V_N表示变压器额定电压值；

V表示变压器运行电压值；

P₀表示变压器空载损耗。

铜耗与电流平方成正比，随负荷电流大小变化而变化，所以又称为可变损耗。变压器的负载损耗和电压、视在功率以及额定负载损耗有关，表示如下：

$P_{\mathrm{TL}}(S,V)={\left(\frac{S}{S_N}\right)}^2\·{\left(\frac{V_N}{V}\right)}^2\·P_{\mathrm{TNL}}$

其中，P_TNL表示变压器额定负载损耗；

V_N表示变压器额定电压值；

V表示变压器运行电压值；

S_N表示变压器额定视在功率值；

S表示变压器运行视在功率值；

P_TL表示变压器负载损耗；

线路损耗与电流平方成正比，随负荷电流大小变化而变化，其关系表示和变压器的负载损耗类似，关系表示如下：

$P_{\mathrm{LL}}(S,V)={\left(\frac{S}{S_N}\right)}^2\·{\left(\frac{V_N}{V}\right)}^2\·P_{\mathrm{LNL}}$

综上所述，风电场能量收集系统总的功率损耗为：

$P_L(S,V)={\left(\frac{V}{V_N}\right)}^2\·P_{N0}+{\left(\frac{S}{S_N}\right)}^2\·{\left(\frac{V_N}{V}\right)}^2\·(P_{\mathrm{TNL}}+P_{\mathrm{LNL}})$

由此，若设定目标函数为能量收集系统的网络总损耗ΔP_∑；本申请实施例中依据风电场的实际运行状况，只考虑风场中无功功率的分配情况，所以假定除风电场中平衡节点外其他各节点的有功功率已给定，那么这个网络总损耗ΔP_∑仅与各个风力发电机的无功功率Q_Gi有关；无功功率电源最优分布时的目标函数为：

ΔP_∑(Q_G1，Q_G2，Q_G3，...，Q_Gn)＝ΔP_∑(Q_Gi)

步骤S103：对所述目标函数进行求最小值处理，获得所述目标函数存在最小值时各个风力发电机组的无功功率值；

建立风电场目标网损的目标函数后，在对所述目标函数进行求最小值处理前，如本申请实施例提供的图2所示，在步骤S102与步骤S103之间还包括：

步骤S112：确定对所述目标函数进行求最小值处理的无功功率约束条件；

对于风电场的整个运行过程中，无功功率必须保持平衡，所以无功功率的平衡就成为无功功率电源最优分布时的等约束条件：

$\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{Gi}}-Q_f-\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{\Σ}}=0$

其中：

Q_Gi表示每台风机的无功功率值，n为风场中风电机组的台数；

Q_f表示风电场无功功率的目标值；

ΔQ_∑表示风电场能量收集系统的总无功损耗，与有功功率和无功功率都有关；

除平衡节点外，其它节点的注入有功功率是给定值，所以本申请实施例分析无功功率电源最优分布时的不等约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{Gi}\min }\≤Q_{\mathrm{Gi}}\≤Q_{\mathrm{Gi}\max }\\ U_{i\min }\≤U_i\≤U_{i\max }\end{array}\right.$

由上述不等约束条件可知：

所述风电场网损目标函数中的无功功率不小于所述各个风力发电机组中无功功率的最小值且不大于各个风力发电机组中无功功率的最大值；

所述风电场网损目标函数中的电压值不小于所述各个风力发电机组中电压的最小值且不大于各个风力发电机组中无功功率的最大值

综合目标函数和约束条件，根据目标函数和等约束条件建立的新的、不受约束的目标函数：

$G^{*}=\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{\Σ}}\left(Q_{\mathrm{Gi}}\right)-\mathrm{\λ}(\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{Gi}}-Q_f-\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{\Σ}})$

求出所述新的目标函数的最小值；

由于目标函数中有(n+1)个变量，即n个Q_Gi和一个乘数λ，求取其最小值时有(n+1)个条件，即：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\∂C}^{*}}{\∂Q_{\mathrm{Gi}}}=\frac{\∂\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{\Σ}}}{\∂Q_{\mathrm{Gi}}}-\mathrm{\λ}(1-\frac{\∂\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{\Σ}}}{\∂Q_{\mathrm{Gi}}})=0(i=\mathrm{1,2},...,n)\\ \frac{\∂C^{*}}{\∂\mathrm{\λ}}=\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{Gi}}-Q_f-\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{\Σ}}=0\end{array}\right.$

然后进行简化得：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{\Σ}}}{\∂Q_{G1}}\frac{1}{1-\∂\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{\Σ}}/\∂Q_{G1}}=\frac{\∂\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{\Σ}}}{\∂Q_{G2}}\frac{1}{1-\∂\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{\Σ}}/\∂Q_{G2}}=...=\frac{\∂\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{\Σ}}}{\∂Q_{\mathrm{Gn}}}\frac{1}{1-\∂\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{\Σ}}/\∂Q_{\mathrm{Gn}}}=\mathrm{\λ}\\ \underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{Gi}}-Q_f-\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{\Σ}}=0\end{array}\right.$

由此可以得出每一台发电机组在目标函数对应的网损最小时所应发出的无功功率值；

步骤S104：将所述获得的无功功率值分别分配给与其对应的风力发电机组；

获得每一台发电机组在目标函数对应最小网损时所应发出的无功功率值后，将每台风电机组的无功功率命令传输给每台发电机组；其具体实现如本申请实施例提供图3所示，包括：

步骤S201：分别发送携带有无功功率值的无功功率命令至所述各个风力发电机组；

向各个风力发电机组分别发送无功功率命令，所述无功功率命令中携带有在所述风电场网损最小时各个风力发电机组所应发出的无功功率值；

具体实现为：

向各个风力发电机组发送同一条无功功率命令，所述无功功率命令中携带有所有风力发电机组的无功功率值；所述无功功率值中包含与风力发电机组相对应的匹配标识，风力发电机组接收到所述无功功率命令后，可以依据所述匹配标识，查询其应该发出的无功功率值；

或，

向各个风力发电机组发送不同的无功功率命令，每条无功功率命令中包含接收所述无功功率命令的发电机组所应发出的无功功率，风力发电机组接收到所述无功功率命令后，直接读取其应发出的无功功率值；

步骤S202：控制所述各个风力发电机组依据所述无功功率命令发出与所述无功功率命令中无功功率值相对应的无功功率。

以上是本申请实施例提供的减小风电场网损的方法实施过程，应用所述方法，本申请实施例提供了一具体对比实例如下：

实施例二

如本申请实施例图4所示，图4为包含三台风电机组的风电场简化模型。风电场模型的建立主要是风电场收集系统的阻抗模型，其中包含连接风电机组和阻抗的箱变、连接能量收集系统到电网的主变、以及风场中的所有线路阻抗。

图4所示的风电场中包含三台风电机组G1、G2、G3，其中三台风电机组的有功功率分别为P(G1)＝0.5，P(G2)＝0.5，P(G3)＝0.5；风力发电机组G1、G2、G3分别连接独立的箱变T1，T2，T3；经过电缆线路汇集到风电场公共连接点，箱变的阻抗值均为Z(T1)＝Z(T2)＝Z(T3)＝0.01+j0.07；由于每台风电机组到达公共连接点的距离不同，所以电缆线路的总阻抗大小会有所不同，G1、G2、G3所在线路的阻抗分别为Z4、Z5、Z6，其中Z4＝0.005+j0.005，Z5＝0.02+j0.02，Z6＝0.04+j0.04。

风电场的总无功功率流经风电场主变压器Zt和风电场公共连接点到主变之间的电缆线路阻抗Z7，其中：Zt＝0.005+j0.06、Z7＝0.009+j0.01，电缆线路的总阻抗值与线路的长短成正比。本申请实施例提供的基准容量S_B＝100MW，所有参数均为标幺值(pu)。

在风场中，当有功功率的值一定时，因无功功率流动而产生的有功网损只和风场中的总无功功率Q有关，即每台风电机组的无功功率Q1、Q2、Q3有关；当要求风电场并网电的功率因数为0.95时，合理的分配风场中三台风电机组的无功功率，使得整个风场的有功功率网损最小，同时保证每台风电机组出口端的电压在允许的范围内(0.9U_N～1.1U_N)。

由本申请实施例一提供的方法可知，首先确定出满足风电场并网点的功率因数值的无功功率平衡即为功率的等约束条件；不等约束条件为风电机组出口端的电压值必须在允许的运行范围内；无功功率优化的目标函数，这里以风场收集系统的有功功率网损最小为最终目标；在风电场已经建立的阻抗模型基础上，将整个风场网损最小的目标函数对功率求导数，结合整个风场的功率平衡的等约束条件和风机的运行电压必须在允许范围内的不等约束条件，可以计算出风电场网损最小时，分配给每台风电机组的无功功率值。

本申请实施例针对减小风电场网损方法，在图4所示风电机组的基础上，将风电场中无功功率平均分配与无功功率优化分配的两种不同方案进行比对，如下：

风场中无功功率平均分配的方案1(三台风电机组的无功功率值相等)和合理优化的无功分配方案2的风场运行状况有所不同，图5中比较了三台风电机组有功功率均为P＝0.5PU时，两种方案的无功功率分配情况，方案1中风电机组G1、G2、G3的无功功率等功率分配；方案2中风电机组G1、G2、G3的无功功率不等功率分配。

本申请实施例图6比较了三台风电机组有功功率均为P＝0.5PU时，两种方案产生的网损，可以的明显得出在合理分配各个风电机组的无功功率时，能够有效减小风电场的网损。

风场中每台风电机组出口端的电压值必须在允许的范围内(0.9U_N～1.1U_N)，图7比较了两种方案的风电机组出口端电压值，均在运行允许范围内。为了保证风场中的运行安全，所以最后检验每台风电机组出口端的电压值。

最后，将分配给每台风电机组的无功功率值传输给相应的风电机组。

通过以上实施例的描述可知，本申请实施例提供的减小风电场网损的方法，通过合理分配风场中每台风电机组发出的无功功率，充分利用风力发电机组的无功能力，能够有效的减小整个风电场的电能损耗。

以上即为本申请实施例提供的方法实施例，对于上述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (4)

1.一种减小风电场网损的方法，其特征在于，包括：

获取所述风电场中各个风力发电机组的运行状态、有功功率值以及所述风电场运行所需的总无功功率；

依据所述各个风力发电机组的运行状态、有功功率值以及所述风电场所需总无功功率建立所述风电场网损的目标函数；

对所述目标函数进行求最小值处理，获得所述目标函数存在最小值时各个风力发电机组的无功功率值；

将所述获得的无功功率值分别分配给与其对应的风力发电机组。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立所述风电场网损的目标函数后，对所述目标函数进行求最小值处理前，还包括：

确定对所述目标函数进行求最小值处理的无功功率约束条件。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述无功功率约束条件包括：无功功率等约束条件和无功功率不等约束条件；

所述无功功率等约束条件为：

所述风电场中各个风力发电机组的无功功率的总和等于所述风电场中无功功率的目标值与所述风电场中无功功率损耗值的和；

所述无功功率不等约束条件为：

所述风电场网损目标函数中的无功功率不小于所述各个风力发电机组中无功功率的最小值且不大于各个风力发电机组中无功功率的最大值；

所述风电场网损目标函数中的电压值不小于所述各个风力发电机组中电压的最小值且不大于各个风力发电机组中电压的最大值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述获得的无功功率值分别分配给与其对应的风力发电机组包括：

分别发送携带有无功功率值的无功功率命令至所述各个风力发电机组；

控制所述各个风力发电机组依据所述无功功率命令发出与所述无功功率命令中无功功率值相对应的无功功率。

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